CN116635153A - 用于数字微流体设备的电介质层 - Google Patents

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Abstract

公开一种电润湿系统。所述系统包括被配置成操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极。每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路。所述系统包括电介质堆叠，所述电介质堆叠包括第一电介质对，所述第一电介质对包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层。

Description

用于数字微流体设备的电介质层
背景
数字微流体(DMF)设备使用独立电极在受限环境中推动、分裂和连接小滴，从而提供“芯片实验室(lab-on-a-chip)”。数字微流体设备已被用于致动宽范围的体积(纳升nL至微升μL)，并且供选择地被称为电介质上电润湿或“EWoD”，以进一步将该方法区别于依赖于电泳流和/或微型泵的竞争微流体系统。在电润湿中，将连续或脉冲电信号施加至小滴，导致其接触角的切换。能够电润湿疏水表面的液体经常包括极性溶剂，诸如水或离子液体，并且经常以离子物质为特征，如电解质水溶液的情况。Wheeler在“Digital Microfluidics,”Annu.Rev.Anal.Chem.2012,5:413-40中提供了2012年电润湿技术的综述。该技术允许使用微量样品和微量试剂二者进行样品制备、测定和合成化学。
EWoD数字微流体设备有两种主要架构，即开放系统和封闭系统。一般地，两种EWoD配置都包括底板，该底板以推进电极堆、绝缘电介质层和提供工作表面的疏水层为特征。然而，封闭系统还以与底板平行并包括作为所有推进电极的公共对电极的顶部电极的顶板为特征。顶板和底板以限定微流体区域的间隔关系提供，以允许在底部电极阵列和顶部电极之间施加推进电压的情况下微流体区域内的小滴运动。将小滴置于工作表面上，电极一旦致动，就会导致小滴变形，并取决于施加的电压从表面润湿或去湿。当设备的电极矩阵被驱动时，DMF设备的每个像素接收电压脉冲(即与该像素相关的两个电极之间的电压差)或电压脉冲的时间序列(即“波形”或“驱动序列(drive sequence)”或“驱动序列(drivingsequence)”)以便实现从像素的一种电润湿状态到另一种电润湿状态的转变。
大多数关于EWoD的文献报告都涉及所谓的“分段”设备，其中十到几百个电极直接由控制器驱动。虽然分段设备易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束的限制，并且需要针对特定应用设计设备。因此，在分段设备中进行大规模平行测定、反应等可能证明是相对成问题的。相比之下，“有源矩阵”设备(又名有源矩阵EWoD，又名AM-EWoD)设备可以具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极，并提供可用于许多不同应用的通用面板。
AM-EWoD的电极经常由晶体管矩阵诸如薄膜晶体管(TFT)切换，但也可以使用电机械开关。基于TFT的薄膜电子器件可以通过使用各种电路布置控制电压脉冲到EWoD阵列的寻址。TFT阵列对于该应用是非常期望的，因为它具有数千个可寻址晶体管，从而允许小滴程序的大规模并行化。驱动电路可以集成到AM-EWoD阵列基板上，并且基于TFT的电子器件非常适合AM-EWoD应用。
如上所示，传统的DMF系统依赖于小滴在阵列上的连续致动，随着时间的推移，这会导致不希望的电化学反应。这又导致覆盖晶体管矩阵并且经常由电介质和/或疏水材料组成的电介质层堆叠的降解。考虑到许多DMF试剂的水性溶剂、盐和酸以及设备中施加的通常在±15V至±30V的范围的相对高的电压，防止电化学降解是一项困难的任务。在文献中报道的许多分段DMF设备中，保护设备免受电化学降解是通过电介质层实现的，电介质层一般为数百纳米厚，并且通常由氧化铝、二氧化硅、聚对亚苯基二甲基或其他常见电介质制成。在这种分段设备中，电介质的厚度导致需要非常高的致动电势，在某些情况下需要数百伏的数量级的致动电势，以通过厚电介质获得小滴的适当致动。然而，在常规的基于TFT的AM-EWoD设备中经常不可能使用这种高电压，因为超过±30V范围的高电压操作易于损坏TFT电路。将致动电压保持在±30V以内的需要已经导致采用基于高介电常数(“κ”或“k”)材料薄层的优化结构，这降低致动DMF设备上的小滴的电压。使用原子层沉积(ALD)等先进的高质量沉积技术可能有助于使得制造能够保护DMF设备免受电化学降解的薄的、高k电介质层成为可能。然而，上述层制造技术的实施成本经常很高并且遭受制造产量低。
发明概述
公开一种电润湿系统。该系统包括被配置成操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极。每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路。该系统包括电介质堆叠，该电介质堆叠包括第一电介质对，该第一电介质对包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层。第二介电常数大于第一介电常数。电介质堆叠包括第二电介质对，该第二电介质对包括具有第三介电常数的第三层和具有第四介电常数的第四层。第四介电常数大于第三介电常数。第四层的厚度与第三层的厚度之比(T4:T3)在约2:1至约8:1的范围。第二电介质对比第一电介质对更薄。
在一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，其包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：包括第一层和第二层的第一电介质对，其中第二层的介电常数大于第一层的介电常数，以及包括第三层和第四层的第二电介质对。第四层的介电常数大于第三层的介电常数。比率T4:T3在约2:1至约8:1的范围，其中T3是第三层的厚度并且T4是第四层的厚度。第二电介质对比第一电介质对更薄。
在另一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：第一电介质层，以及包括第二电介质层和第三电介质层的薄电介质对，其中：第三电介质层的介电常数大于第二层的介电常数；比率TH:TL在约3:1至约8:1的范围，其中TH为第三电介质层的厚度，TL为第二电介质层的厚度；电介质对比第一电介质层更薄。
在另一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：第一电介质层和第二电介质层，其中：第二电介质层的介电常数大于第一电介质层的介电常数；第二电介质层比第一电介质层更薄。
附图简述
图1A是示例EWoD设备的单元的横截面示意图。
图1B示出以DC顶平面模式的EWoD操作。
图1C示出具有顶平面切换(TPS)的EWoD操作。
图1D是连接到栅极线、源极线和推进电极的TFT的示意图。
图2是在AM-EWoD推进电极阵列中控制小滴操作的示例性TFT背板的示意图。
图3是覆盖具有交替的低k电介质层和高k电介质层的TFT阵列的高性能堆叠的示意图。
图4是以单层相对便宜的低k电介质和包括通过原子层沉积形成的低k层和高k层的电介质对为特征的电介质堆叠的示意图。
图5是以单层相对便宜的低k电介质和通过原子层沉积形成的高k层为特征的电介质堆叠的示意图。
定义
除非另有说明，下列术语具有指定的含义。
关于一个或多个电极的“致动”或“激活”是指实现一个或多个电极的电状态的变化，在小滴存在的情况下，这导致对小滴的操纵。电极的激活可以使用交流电(AC)或直流电(DC)完成。在使用交流信号的情况下，可以采用任何合适的频率。
“小滴”是指电润湿疏水表面并且至少部分被载液和/或在某些情况下气体或气体混合物诸如环境空气所限制的一定体积的液体。例如，小滴可以完全被载液包围或者可以被载液和EWoD设备的一个或多个表面所限制。小滴可以采取各种形状；非限制性实例通常包括圆盘形、条形、截头球体、椭圆体、球形、部分压缩球体、半球形、卵形、圆柱形和在小滴操作诸如合并或分裂期间形成的各种形状，或者由于这种形状与EWoD设备的一个或多个工作表面接触形成的各种形状；小滴可以包括极性流体诸如水，如水性或非水性组合物的情况，或者可以是包括水性和非水性组分的混合物或乳液。小滴还可以包括分散体和悬浮液，例如水性溶剂中的磁珠。在各种实施方案中，小滴可以包括生物样品或部分生物样品，诸如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪液、唾液、痰液、脑脊液、羊水、精液、阴道分泌物、浆液、滑液、心包液、腹膜液、胸膜液、渗出液、渗出物、囊液、胆汁、尿液、胃液、肠液、粪便样品、含有单个或多个细胞的液体、含有细胞器的液体、流化组织、流化生物体、含有多细胞生物体的液体、生物拭子和生物洗液。此外，小滴可以包括一种或多种试剂，诸如水、去离子水、盐溶液、酸性溶液、碱性溶液、洗涤剂溶液和/或缓冲液。小滴内容物的其它实例包括试剂，诸如用于生物化学方案、核酸扩增方案、基于亲和力的测定方案、酶测定方案、基因测序方案、蛋白质测序方案的试剂和/或用于分析生物流体的方案的试剂。试剂的进一步实例包括在生物化学合成方法中使用的那些，诸如用于合成在分子生物学和医学中发现应用的寡核苷酸和核酸分子的试剂。寡核苷酸可以含有天然或化学修饰的碱基，并且最常用作反义寡核苷酸、小干扰治疗性RNA(siRNA)及其生物活性缀合物、用于DNA测序和扩增的引物、用于经由分子杂交检测互补DNA或RNA的探针、用于在基因编辑诸如CRISPR-Cas9的技术背景下靶向引入突变和限制性位点的工具以及用于合成人工基因的工具。在进一步的实例中，小滴内容物可包括用于肽和蛋白质生产的试剂，例如通过化学合成、在活的生物体诸如细菌或酵母细胞中表达或通过在体外系统中使用生物机械进行。
“小滴区域”是指封闭在小滴周边内的区域。在覆盖像素化表面的小滴的上下文中，位于小滴区域内的像素被称为“小滴像素”或“小滴的像素”。当提及小滴的一部分时，位于该部分区域内的像素被称为“部分像素”或“部分的像素”。
术语“DMF设备”、“EWoD设备”和“小滴致动器”是指用于操纵小滴的电润湿设备。
“小滴操作”是指在微流体设备上对一个或多个小滴的任何操纵。例如，小滴操作可以包括：将小滴装载到DMF设备中；从源储器中分配一个或多个小滴；将小滴分裂、分离或划分成两个或更多个小滴；将小滴从一个位置以任何方向移动到另一个位置；将两个或更多个小滴合并或组合成单个小滴；稀释小滴；混合小滴；搅动小滴；使小滴变形；将小滴保持在适当位置；孵育小滴；加热小滴；蒸发小滴；冷却小滴；处理小滴；将小滴输送出微流体设备；本文所述的其它小滴操作；和/或前述的任何组合。术语“合并(merge)”、“合并(merging)”、“组合(combine)”、“组合(combining)”等用于描述由两个或更多个小滴产生一个小滴。应当理解，当这种术语关于两个或多个小滴使用时，可以使用足以导致两个或多个小滴组合成一个小滴的小滴操作的任何组合。例如，“将小滴A与小滴B合并”可以通过将小滴A输送至与静止小滴B接触、将小滴B输送至与静止小滴A接触或将小滴A和小滴B输送至彼此接触来实现。术语“分裂”、“分离”和“划分”不是旨在暗示关于所得小滴的体积(即所得小滴的体积可以相同或不同)或所得小滴的数量(所得小滴的数量可以是2、3、4、5或更多)的任何特别的结果。术语“混合”是指导致一种或多种组分在小滴内更均匀的分布的小滴操作。“装载”小滴操作的实例包括但不限于微透析装载、压力辅助装载、机器人装载、被动装载和移液管装载。小滴操作可以是电极介导的。在一些情况下，通过在表面上使用亲水和/或疏水区域和/或通过物理障碍物进一步促进小滴操作。
除非另有说明，术语“低k”意指适用于介电常数(相对于真空)低于10的材料。术语“高k”意指适用于介电常数为10，或大于10的材料。
“驱动序列”或“脉冲序列”表示用于致动微流体设备中像素的整个电压对时间曲线。经常，如下所示，这样的序列将包括多个元件；其中给定的元件包括在一段时间内施加基本恒定的电压)，元件可以被称为“电压脉冲”或“驱动脉冲”。术语“驱动方案”表示在给定的小滴操作过程中足以对一个或多个小滴进行一个或多个操纵的一个或多个驱动序列集。除非另有说明，术语“帧”表示微流体设备中所有像素行的单次更新。
“核酸分子”是单链或双链、有义或反义的DNA或RNA的总称。这些分子由核苷酸组成，所述核苷酸是由三个部分组成的单体：五碳糖、磷酸基团和含氮碱基。如果糖是核糖基，则聚合物是RNA(核糖核酸)；如果糖是源自作为脱氧核糖的核糖，则聚合物是DNA(脱氧核糖核酸)。核酸分子长度不同，从普通的用于基因检测、研究和法医学的约10至25个核苷酸的寡核苷酸到具有大约1000、10000个核苷酸或更多的序列的相对长或非常长的原核和真核基因。它们的核苷酸残基可以是全部天然存在的或者至少部分化学修饰的，例如以减缓体内降解。可以例如通过引入核苷有机硫代磷酸酯(PS)核苷酸残基对分子骨架进行修饰。另一种用于核酸分子的医学应用的修饰是2’糖修饰。修饰2’位糖被认为通过增强治疗性寡核苷酸的靶结合能力增加治疗性寡核苷酸的有效性，尤其是在反义寡核苷酸疗法中。最常用的修饰中的两种是2’-O-甲基和2’-氟。
当以任何形式的液体(如小滴或连续体，无论是移动的还是静止的)被描述为在电极、阵列、矩阵或表面“上(on)”、“处(at)”或“上方(over)”时，这样的液体可以与电极/阵列/矩阵/表面直接接触，或者可以与插入在液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的一个或多个层或膜接触。
当小滴被描述为在微流体设备“中(in)”、“上(on)”或“装载”在微流体设备上时，应当理解，小滴以便于使用设备在小滴上进行一个或多个小滴操作的方式布置在设备上，小滴以便于感测小滴的性质或来自小滴的信号的方式布置在设备上，和/或小滴已经在小滴致动器上经受小滴操作。
“每个”，当关于多个项使用时，旨在标识在集合中的单个项，但不一定指在集合中的每个项。如果明确公开或上下文清楚地另外规定，则可能发生例外。
尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等以描述各种要素，但是这些要素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个要素与另一个要素区分开来。例如，在不脱离示例实施方案的范围的情况下，第一要素可以被称为第二要素，并且类似地，第二要素可以被称为第一要素。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
详述
本公开内容提供结合高性能和抗电化学降解的新的和改善的多层电介质堆叠。电介质堆叠可用于例如基于TFT的DMF设备。堆叠中包括一个或多个相对低介电常数的层，其结合用于改善性能的一个或多个高介电常数层，提供更好的抗电击穿保护。不受任何特定理论的束缚，据信交替的多个介电常数层的存在，例如，低介电常数层接着是高介电常数层，接着是低介电常数层，以此类推，最小化在较高电压和/或腐蚀性溶液下操作时在堆叠的整个厚度上形成针孔的可能性。多层电介质堆叠的制造可以使用相对昂贵且耗时的沉积技术进行，其中使用高性能且持久的DMF设备。相反，在长期性能不太重要且制造成本更受关注的情况下，可以使用更高输出层沉积方法。总之，本申请的电介质堆叠可适用于在预期结果和操作费用之间达到最佳平衡。
高k电介质材料的益处在材料科学和电气工程领域是理解的。介电常数k通常描述材料在电场中储存电能的能力。通常，随着材料的介电常数增加，穿过该材料的电场量减少。因此，高介电常数材料被用于使电场变得均匀，并防止集中的电场梯度，集中的电场梯度例如可导致诸如晶体管的电气元件的不希望的电切换。电介质层的连续性非常重要，因为厚度或组成的变化可以产生短路和击穿的路径。
DMF设备
在进一步进行之前，期望说明常规DMF设备的结构。图1A显示示例性常规封闭EWoD设备中的单元的示意性横截面图，其中小滴104在侧面被载液102包围并夹在顶部疏水层107和底部疏水层110之间。推进电极105可以直接被驱动或由晶体管阵列切换，该晶体管阵列被布置成由数据(源极)线和栅极(选择)线驱动，产生所谓的有源矩阵(AM)EWoD。电介质堆叠108被置于在电极105和底部疏水层110之间。单元间距通常在约50微米(μm)至约500μm的范围。
驱动封闭系统EWoD有两种主要模式：“DC顶面”和“顶面切换(TPS)”。图1B示出DC顶面模式下的EWoD操作，其中顶面电极106例如通过接地被设置为零伏电势。结果，跨越单元施加的电势是有源像素上的电压，即像素101具有与顶面不同的电压，使得导电小滴被吸引到电极。在有源矩阵TFT设备中，这将EWoD单元中的像素驱动电压限制在约±15V，因为在通常使用的非晶硅(a-Si)TFT中，由于TFT在高电压操作下的电不稳定性，最大电压在约15V至约20V的范围。图1C显示用TPS驱动该单元，在这种情况下，通过与有源像素异相地给顶部电极供电，驱动电压加倍到±30V，使得顶面电压附加到由TFT提供的电压。
非晶硅TFT板通常每个像素有一个晶体管，尽管也考虑了具有两个或更多晶体管的配置。如图1D所示，晶体管连接到栅极线、源极线(也称为“数据线”)和推进电极。当TFT栅极上有足够大的正电压时，源极线和像素之间存在低阻抗(Vg“开”)，因此源极线上的电压被转移到像素的电极。当TFT栅极上有负电压时，则TFT为高阻抗，并且电压存储在像素存储电容器上，并且当其它像素被寻址时不受源极线上电压的影响(Vg“关”)。如果不需要移动，或者如果小滴打算从推进电极移开，则在像素电极上存在0V，即相对于顶板没有电压差。理想地，TFT应该充当数字开关。实际上，当TFT处于“开”设置时，仍然存在一定量的电阻，因此像素需要时间充电。另外，当TFT处于“关”设置时，电压可能从Vs泄漏到Vp，导致串扰。增加存储电容器的电容减少串扰，但代价是使像素更难充电。
TFT阵列的驱动器从处理单元接收与小滴操作相关的指令。处理单元可以是例如通用计算机、专用计算机、个人计算机或其他提供处理能力，诸如存储、解释和/或执行软件指令以及控制设备的整体操作的可编程数据处理装置。处理单元耦合到存储器，该存储器包括用以指导处理单元执行各种操作的可编程指令，各种操作诸如但不限于，根据本文的实施方案，向TFT驱动器提供指导它们产生电极驱动信号的输入指令。存储器可以物理地位于DMF设备中，或者位于与设备接口的计算机或计算机系统中，并且保存作为由设备执行的一个或多个任务的工作集的一部分的程序和数据。例如，存储器可以存储用以执行结合小滴操作集描述的驱动方案的可编程指令。处理单元执行用以产生控制输入的可编程指令，该控制输入被传送到驱动器以实施与给定小滴操作相关的一个或多个驱动方案。
图2是在AM-EWoD推进电极阵列中控制小滴操作的示例性TFT背板的示意图。在该配置中，EWoD设备的元件以由TFT阵列的源极线和栅极线限定的矩阵形式排列。源极线驱动器提供对应于小滴操作的源极电平。栅极线驱动器提供用于打开电极的晶体管栅极的信号，所述电极在操作过程中被致动。图2显示图中所示的那些数据线和栅极线的信号线。栅极线驱动器可以集成在单个集成电路中。类似地，数据线驱动器可以集成在单个集成电路中。集成电路可以包括完整的栅极和源极驱动器组件以及控制器。可商购的控制器/驱动器芯片包括由Ultrachip Inc.(San Jose,California)商业化的那些，诸如UC8120；UC8130UC8124；UC8137；UC8142；UC8143；UC8151；UC8152；UC8154；UC8155；UC8157；UC8176；UC8159；UC8111；UC8112；UC8113；UC8118；UC8119以及可从Solomon Systech(中国香港)获得的那些，包括SSD1633；SSD1681；SSD1675B；SSD1680/80A；SSD1619A；SSD1683；SPD1656；SSD1677；和SSD1603。图2的矩阵由1024条源极线和总共768条栅极线组成，尽管这两个数字都可以改变以适应DMF设备的尺寸和空间分辨率。矩阵的每个元件包括用于控制相应像素电极的电势的图1D所示类型的TFT，并且每个TFT连接到一条栅极线和一条源极线。
改善的电介质层堆叠
在一些实施方案中，本文提供具有多层结构的电介质堆叠，其特征在于具有不同介电常数例如低介电常数或高介电常数以实现高DMF设备性能和长寿命之间的优化平衡的多层交替材料。在这种情况下，保护设备免受降解并成功执行DMF操作。
根据本文教导的一些实施方案的堆叠包括两个或更多个“电介质对”，其中每对以两个相邻的电介质层为特征。电介质对的两个电介质层直接相邻，尽管在期望时也可存在另外的中间层或涂层。电介质对的第一层包括以第一介电常数为特征的第一材料，而第二层包括具有第二介电常数的第二材料，其中第二介电常数高于第一介电常数。因此，出于本公开内容的目的，第一层可归类为“低k”层，其中k11表示其介电常数，第二层可称为“高k”材料，其特征在于第二介电常数k12，其中k12>k11。第二电介质对包括介电常数为k21的层和介电常数为k22的层，其中k22>k21。更一般地，每个连续的电介质对可以用自然数“m”标记，其中km1是第m个电介质对的低k层的介电常数，km2是第m个电介质对的高k层的介电常数，使得km2>km1。在以总共“n”个电介质对为特征的电介质堆叠中，每对可以从第一个(m＝1)到最后一个(m＝n)以升序标记。
每个单独层的厚度以类似的方式分类，其中第m个电介质对的第一层的厚度标记为“Tm-1”，而第m个电介质对的第二层的厚度标记为“Tm-2”。层或电介质对的厚度可以沿着垂直于玻璃基板的上表面的方向测量，如图3中的轴30所示。
仍然参考图3，其中所示的多层电介质堆叠32以总共四个电介质对(n＝4)为特征，它们在空间上布置以形成覆盖具有TFT驱动电极阵列34的玻璃基板的堆叠。第一、较厚的电介质对36(m＝1)由低k第一层311和高k第二层312组成。层311和312的厚度大约相等，使得比率T12:T11为约1:1，尽管可以考虑在从约0.5:1至约1.5:1或者从约0.75:1至约1.25:1跨越的范围变化。第一电介质对31在该结构中最厚并且占电介质堆叠总厚度的约一半。第二电介质对33(m＝2)、第三电介质对35(m＝3)和第四电介质对37(m＝4)均比第一电介质对31更薄。
如上所述，第二、第三和第四电介质对中的每一对包括厚度为Tm-1的低k层和厚度为Tm-2的高k层。然而，与第一电介质对不同，层的相对厚度使得对于m＝2、3或4，Tm-2:Tm-1等于约5:1。因此，堆叠32的层其特征可如表1所示。在该表中，每一层都标有上述代码，例如，第一对的第一层标记为“1-1”，第二对的第二层标记为“1-2”，等等：
表1
堆叠中较薄的电介质对的数量没有理论限制(即n-1)。ALD技术允许沉积接近原子薄的层，唯一的要求是该层具有足够的厚度以达到令人满意的均匀性水平并且没有斑块。在示例性实施方案中，较薄的电介质对的数量可以是1、2、3、4、5、10、15、20或甚至更高。此外，较薄的电介质对中的比率Tm-2:Tm-1可大于或小于约5:1。在一个实施方案中，该比率可在约2:1至约10:1的范围，或更具体地，在约2:1至约8:1、约3:1至约8:1，约4:1至约6:1，或约4.5:1至约5.5:1的范围。堆叠的总厚度一般在约100nm至约300nm，但其他值也可接受以实现期望水平的性能和堆叠耐腐蚀性。
多层堆叠可以通过特别适合于高质量层的制造的原子层沉积(ALD)技术形成低k材料和高k材料的交替层来创建。如果降低制造成本是首要的，则可以应用工业气相沉积方法。在图3的图中的实施方案示出在堆叠的底部的第一、较厚的电介质对31。然而，不同的布置是可接受的，例如其中33、35和37中的一个或多个在31的相对侧上或者其中31是最上面的电介质对的那些。此外，图3描绘在其相应电介质对底部的每个低k层，但也可设想在一对或多对中低k位于其电介质对顶部的其他配置。
在ALD的初始步骤中，提供基板，在该基板上将涂覆电介质堆叠。经常在涂覆之前清洁基板，例如用乙醇或异丙醇清洁基板。基板可以是任何材料，只要该材料在下述原子层沉积(ALD)和溅射步骤期间是稳定的。例如，基板可以是印刷电路板、涂覆的玻璃，诸如ITO涂覆的玻璃，或者在玻璃或其他基板材料上微制造的有源矩阵TFT背板。下一步是使用原子层沉积一般是等离子辅助ALD或(热)水蒸气辅助ALD将第一层沉积在基板上。例如，可以使用三甲基铝(Al(CH3)3)或Ta[(N(CH3)2)3NC(CH3)3]结合氧等离子体在约180℃的基板温度和低压(小于100毫巴)下制造第一层氧化铝。供选择地，可以使用三甲基铝-水方法沉积氧化铝的层。原子层沉积可以以大于0.1nm/min，例如0.2nm/min或更大的速率进行。氧化铝或氧化铪的最终厚度一般为9nm至80nm厚。Bent和同事在“原子层沉积的简要回顾：从基本原理到应用(A brief review of atomic layer deposition:from fundamentals toapplications),”Materials Today,(2014),第17卷,第5期,第236-46页中描述了这些ALD方法的细节，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方案中，图3的高性能电介质堆叠，低k材料是氧化铝(Al2O3)，高k材料是氧化铪(HfO2)。目标总厚度为约200nm，使得每层的厚度如表2所示：
表2
选择氧化铝作为低k电介质部分地是由于在ALD沉积中的可用性和易用性结合其相对高的电介质击穿强度。用于低k电介质的其他材料包括二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)。选择氧化铪主要是因为其结合了高介电常数和生物相容性。其他合适的高k电介质包括氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)和氧化镧(La2O5)。
为了为TFT提供全面保护，堆叠可以通过一个或多个聚合物和疏水层，例如在其上施加保护涂层的硅烷粘合促进剂膜来完成。保护涂层包括作为电绝缘、防潮层以及防止腐蚀和化学侵蚀的沉积在电子电路和其他设备上的聚合材料。常见的保护材料包括聚对亚苯基二甲基，一类聚合物，其主链由通过1,2-乙烷二基桥-CH2-CH2-连接的对苯二基环-C6H4-组成。“聚对亚苯基二甲基N”是通过聚合对亚二甲苯基前体获得的未取代的聚合物。聚对亚苯基二甲基的衍生物可以通过用其他官能团取代苯环或脂肪族桥上的氢原子获得。这些变体中最常见的是“聚对亚苯基二甲基C”，其芳环中的一个氢原子被氯取代。另一种常见的卤化变体是“聚对亚苯基二甲基AF-4”，其中脂肪族链上的四个氢原子被氟原子取代。聚对亚苯基二甲基层可以通过本领域技术人员熟知的方法，例如化学气相沉积(CVD)形成。
保护涂层又可以覆盖有疏水的、化学惰性的顶层，该顶层形成微流体空间的底表面。在一些实施方案中，表面层材料包括氟化和全氟聚合物，例如，Teflon AF、氟化聚硅氧烷、以商品名CYTOPTM(AGC Chemicals Company，日本)商购的氟聚合物家族，以及以品牌名FLUOROPELTM(Cytonix，马里兰州)市售的全氟烷基聚合物。
在一些实施方案中，提供电介质堆叠，该电介质堆叠适合于包含制造成本被赋予更高优先级并且相对便宜、高容量电介质沉积方法是优选的情况。对于长期性能不太重要的设备和/或不考虑使用腐蚀性物质的情况，可以用成本较低的材料并通过便宜、高容量电介质沉积方法如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)形成大部分电介质堆叠。可以使用更复杂和昂贵的高质量沉积技术如ALD以制造堆叠的较小部分。较小部分可以采用上述较薄电介质对之一的形式，其特征在于Tm-2:Tm-1比率等于约5:1。在一个实施方案中，该比率可在约2:1至约10:1的范围，或更具体地，在约3:1至约8:1、约4:1至约6:1，或约4.5:1至约5.5:1的范围。该组合方法可能有助于防止针孔的形成，而且还可以显著降低成本和沉积时间，同时增加产量。在一些实施方案中，电介质堆叠具有从约70nm至约300nm的总厚度。
图4示意性地说明根据本申请的一些实施方案的构造40。相对厚的第一层44用低成本技术如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)沉积在具有TFT阵列42的玻璃基板上。第一层44构成电介质堆叠厚度的至少一半，并且由一般只需几分钟即可通过PECVD形成的诸如氮化硅(Si3N4)的低k材料形成。然后，在第一层44上形成电介质对46。电介质对由具有厚度TL的低k第一层461和具有厚度TH的高k第二层462组成。比率TH:TL一般等于约5:1。电介质对的两层均采用较慢、高质量沉积方法诸如ALD形成。在一个实施方案中，层461可以由氧化铝或二氧化硅制成，而层462可以由氧化铪制成。
在一些实施方案中，本申请提供用于一次性设备的简化的电介质堆叠，该一次性设备意在短持续时间运行。由于成本和制造产量可能是因素，电介质堆叠包括第一相对厚的低k电介质层，其通过工业气相沉积方法如PECVD形成。较薄的高k材料的第二层通过较高质量的沉积方法诸如ALD沉积在第一层上，以形成总厚度为约70nm至约300nm的简单双层堆叠。
图5示意性地说明根据本申请的一些实施方案的构造50。具有TFT阵列52的玻璃基板首先通过PECVD经受低k电介质层54的沉积。然后，通过ALD形成包含氧化铪56的较薄、高k电介质层。该组合的方法可能有助于防止针孔的形成，而且还可以显著降低成本和沉积时间，同时增加产量。在一个实施方案中，比率TL:TH等于约5:1，其中TL是低k电介质层的厚度，TH是高k电介质层的厚度。然而，该比率可在约2:1至约10:1的范围，或更具体地，在约3:1至约8:1、约4:1至约6:1，或约4.5:1至约5.5:1的范围。在一些实施方案中，电介质堆叠具有从约70nm至约300nm的总厚度。
该堆叠可以用单个或多个聚合物和/或疏水层完成以进一步保护。在一个实施方案中，在电介质堆叠之上可以有一个或多个聚合物电介质层，然后用疏水层覆盖所述聚合物电介质层。供选择地，在电介质堆叠的顶部可能只有单个疏水层。在一个示例中，该堆叠覆盖有硅烷粘合促进剂膜，在该硅烷粘合促进剂膜上形成一层保护涂层，如聚对亚苯基二甲基C。如上所述，保护涂层又可以覆盖有形成微流体空间的底表面的疏水的、化学惰性的外层，例如Teflon、氟化聚硅氧烷、CYTOPTM或FLUOROPELTM。除了疏水外层之外，材料如聚对亚苯基二甲基AF-4或聚对亚苯基二甲基HT可以作为额外的保护和作为外部疏水层，两者都包含在单个层中。
在不包括高K电介质的一些实施方案中，除了相对厚的低K电介质层之外，粘合层和聚合物层还为设备提供所有另外的保护。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本文描述的技术的实施方案进行许多改变和修改。因此，整个前述描述应解释为说明性的而非限制性意义的。从上文的教导中可以理解，本文描述的在处理单元上实现的功能方面可以使用任何适当的实现环境或编程语言，诸如C、C++、Cobol、Pascal、Java、Java-脚本、HTML、XML、dHTML、汇编或机器代码编程等来实现或完成。上述专利和申请的所有内容通过引用整体并入本文。在本申请内容与通过引用并入本文的任何专利和申请的内容之间存在任何不一致的情况下，本申请的内容应该控制为解决这种不一致所需的程度。
本公开内容包括以下实施方案：
1.一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：
被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路；和
电介质堆叠，其包括：
包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层的第一电介质对，其中第二介电常数大于第一介电常数，以及
包括具有第三介电常数的第三层和具有第四介电常数的第四层的第二电介质对，其中：
第四介电常数大于第三介电常数；
比率T4:T3在约2:1至约8:1的范围，其中T3是第三层的厚度，T4是第四层的厚度；和
第二电介质对的总厚度比第一电介质对的总厚度更薄。
2.根据实施方案1所述的电润湿系统，其中比率T4:T3在约4.5:1至约5.5:1的范围。
3.根据实施方案1所述的电润湿系统，其中第一层和第三层各自包含独立地选自氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)的材料。
4.根据实施方案1所述的电润湿系统，其中第二层和第四层各自包含独立地选自氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化镧(La2O5)的材料。
5.根据实施方案1所述的电润湿系统，其中第一、第二、第三和第四层通过原子层沉积(ALD)形成。
6.根据实施方案1所述的电润湿系统，其还包括第三电介质对和第四电介质对，所述第三电介质对包括具有第五介电常数的第五层和具有第六介电常数的第六层，所述第四电介质对包括具有第七介电常数的第七层和具有第八介电常数的第八层，
第六介电常数大于第五介电常数；
比率T6:T5在约3:1至约8:1的范围，其中T5为第五层的厚度，T4为第四层的厚度；
第三电介质对比第一电介质对更薄；
第八介电常数大于第七介电常数；
比率T8:T7在约3:1至约8:1的范围，其中T7为第七层的厚度，T8为第八层的厚度；和
第四电介质对比第一电介质对更薄。
7.根据实施方案1所述的电润湿系统，其还包括1至10个另外的电介质对，其中：
每个另外的电介质对比第一电介质对更薄；和
每个另外的电介质对包括两个层，其中两个层中的一个层具有比两个层中的另一层更高的介电常数。
8.根据实施方案7所述的电润湿系统，其中每个薄电介质对的每个层通过原子层沉积(ALD)形成。
9.一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：
被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路；和
电介质堆叠，其包括：
具有第一介电常数的第一电介质层，以及
包括具有第二介电常数的第二电介质层和具有第三介电常数的第三电介质层的薄电介质对，
第三介电常数大于第二介电常数；
比率TH∶TL在约3:1至约8:1的范围，其中TH为第三电介质层的厚度，TL为第二电介质层的厚度；和
电介质对比第一电介质层更薄。
10.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第三电介质层的介电常数大于第一电介质层的介电常数。
11.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第一电介质层包含氮化硅氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。
12.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第一电介质层通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)形成。
13.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第二电介质层包含选自氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)的材料。
14.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第三电介质层包含选自氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化镧(La2O5)的材料。
15.根据实施方案9所述的电润湿系统，其中第二电介质层和第三电介质层通过原子层沉积(ALD)形成。
16.一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：
被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路；和
电介质堆叠，其包括：
第一电介质层，以及
第二电介质层，
第二电介质层的介电常数大于第一电介质层的介电常数；和
第二电介质层比第一电介质层更薄。
17.根据实施方案16所述的电润湿系统，其中第一电介质层包含氮化硅氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)。
18.根据实施方案16所述的电润湿系统，其中第一电介质层通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)形成。
19.根据实施方案16所述的电润湿系统，其中第二电介质层包含选自氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化镧(La2O5)的材料。
20.根据实施方案16所述的电润湿系统，其中第二电介质层通过原子层沉积(ALD)形成。

Claims (13)

1.一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：
被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路；和
电介质堆叠，其包括：
包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层的第一电介质对，其中第二介电常数大于第一介电常数，以及
包括具有第三介电常数的第三层和具有第四介电常数的第四层的第二电介质对，其中：
第四介电常数大于第三介电常数；
比率T4:T3在约2:1至约8:1的范围，其中T3是第三层的厚度，T4是第四层的厚度；和
第二电介质对的总厚度比第一电介质对的总厚度更薄。
2.根据权利要求1所述的电润湿系统，其中比率T4:T3在约4.5:1至约5.5:1的范围。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电润湿系统，其中第一层和第三层各自包含独立地选自氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)的材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电润湿系统，其中第二层和第四层各自包含独立地选自氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化镧(La2O5)的材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电润湿系统，其中第一、第二、第三和第四层通过原子层沉积(ALD)形成。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电润湿系统，其还包括第三电介质对和第四电介质对，所述第三电介质对包括具有第五介电常数的第五层和具有第六介电常数的第六层，所述第四电介质对包括具有第七介电常数的第七层和具有第八介电常数的第八层，
第六介电常数大于第五介电常数；
比率T6:T5在约3:1至约8:1的范围，其中T5为第五层的厚度，T4为第四层的厚度；
第三电介质对比第一电介质对更薄；
第八介电常数大于第七介电常数；
比率T8:T7在约3:1至约8:1的范围，其中T7为第七层的厚度，T8为第八层的厚度；和
第四电介质对比第一电介质对更薄。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的电润湿系统，其还包括1至10个另外的电介质对，其中：
每个另外的电介质对比第一电介质对更薄；和
每个另外的电介质对包括两个层，其中两个层中的一个层具有比两个层中的另一层更高的介电常数。
8.根据权利要求7所述的电润湿系统，其中每个薄电介质对的每个层通过原子层沉积(ALD)形成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电润湿系统，其中低k材料为氧化铝(Al2O3)且高k材料为氧化铪(HfO2)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电润湿系统，其中所述小滴包含用于蛋白质生产的试剂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电润湿系统，其中所述小滴包含核酸分子。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电润湿系统，其中所述电介质堆叠涂覆有一个或多个聚对亚苯基二甲基层。
13.根据权利要求12所述的电润湿系统，其中所述聚对亚苯基二甲基层通过化学气相沉积(CVD)形成。
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